Montaje hidrotermal

Las montañas hidrotermales , las chimeneas hidrotermales , los respiraderos hidrotermales o los ahumadores son respiraderos hidrotermales ubicados en el eje del océano dorsal y cerca de las cuencas de arco posterior . Son consecuencia de los movimientos de las placas tectónicas . Evacuan parte del calor interno de la Tierra . Fue en 1977 que estas montañas y la exuberante vida submarina asociada con ellas fueron descubiertas en las Islas Galápagos por el sumergible estadounidense Alvin . Este ecosistema se basa en la producción primaria asegurada por bacterias quimiosintéticas que viven libres o en simbiosis con organismos.

Histórico

En 1949, un estudio de aguas profundas detectó salmueras anormalmente calientes en la parte central del Mar Rojo . Posteriormente, en la década de 1960 , otras investigaciones confirmaron la singular presencia de agua caliente ( 60  ° C ) y compuestos metálicos, provenientes de una grieta .

Los sistemas hidrotermales submarinos fueron finalmente descubiertos en 1977 por el submarino estadounidense Alvin , un sumergible de 16 toneladas, equipado para la investigación en el abismo. Durante una inmersión al nivel del Ecuador, los geólogos Jack Corliss y Tjeerd van Andel, liderados por Jack Donnelly, el piloto, descubrieron la17 de febrero de 1977, en el eje de la cordillera oceánica de las Islas Galápagos , importantes estructuras minerales que asemejan termiteros, a una profundidad de 2.630  m . Observan que se escapa un fluido cargado de minerales, metano y sulfuros de hidrógeno. Durante una inmersión posterior realizada en 1979 en la misma zona y con el mismo sumergible, los biólogos encontraron un ecosistema sin precedentes, aprovechando los minerales y el calor emitido por los respiraderos hidrotermales como base de una cadena alimentaria basada en la quimiosíntesis bacteriana. El "oasis de la vida", en un entorno donde reina la oscuridad total y la presión hidrostática significativa, es rico y variado: los investigadores están descubriendo nuevas especies de bivalvos , peces abisales , crustáceos y pulpos en determinadas zonas, pensamientos anteriormente desérticos. Las nuevas campañas de buceo permitieron un estudio en profundidad de estos entornos atípicos. Así, entre 1982 y 1999, Ifremer realizó nueve cruceros frente a las costas de California y México.

Se cree que podrían existir respiraderos hidrotermales en Encelado (una luna de Saturno ) y en Europa (una luna de Júpiter ).

Formación de sistemas hidrotermales.

Cómo funcionan los respiraderos hidrotermales

Los montes hidrotermales, y más generalmente todos los fenómenos hidrotermales oceánicos, son una consecuencia indirecta de los fenómenos de acreción y extensión observados a nivel de las placas tectónicas. Es por esta razón que los respiraderos hidrotermales se encuentran al nivel de las dorsales oceánicas. En estos espacios, el magma asciende y forma cámaras magmáticas de pocos kilómetros de profundidad. A medida que se enfría, se contrae y forma grietas en la corteza oceánica. El agua de mar, fría (alrededor de 2  ° C ), se infiltra a través de estas grietas hasta las profundidades y se calienta cerca del magma caliente (cerca de 1.200  ° C ). Bajo el efecto de la presión, esta agua caliente se eleva hacia el fondo del océano, arrastrando las rocas encontradas; este efecto se ve acentuado por las altas temperaturas y presiones que aumentan el poder solubilizante del agua. Se vuelve ácida y enriquecida con elementos metálicos.

La composición del fluido hidrotermal emitido varía con la temperatura y la naturaleza de las rocas encontradas durante el ascenso hacia el fondo del océano y difiere de la del agua de mar, oxigenada y débilmente alcalina. A la salida, el fluido se caracteriza por su alta temperatura ( 350  a  400  ° C ), un pH ácido (2), altas concentraciones de gases disueltos ( H 2 S, CH 4, CO , CO 2, H 2 ) e iones metálicos ( Si + , Mn 2+ , Fe 2+ , Zn 2+ ) así como una anoxia marcada (es decir, ausencia de oxígeno). Por otro lado, tiene bajas concentraciones de iones fosfato ( PO 4 3-), magnesio ( Mg 2+ ), nitrato ( NO 3- ) y sulfato ( SO 4 2- ). Su salinidad es muy variable (entre 0,1 y 2 veces la del agua de mar).

Cuando se descubrieron las estructuras hidrotermales en la década de 1970, se consideró que la composición del fluido era relativamente constante y estable. Ahora está establecido, gracias al descubrimiento de nuevos sitios, que la composición del fluido es muy variable. Su composición, temperatura y caudal varían con el nivel de dilución del agua de mar antes de partir; por lo tanto, difiere entre sitios, o incluso entre varias fuentes del mismo sitio. Con el tiempo, el líquido puede retener la misma composición hasta por diez años o evolucionar lenta o rápidamente.

Dependiendo de la composición del fluido hidrotermal, existen dos tipos distintos de fumadores: los fumadores negros, con fluido hidrotermal caliente y rico en azufre, así como los fumadores blancos, cuyo fluido es menos caliente y no contiene partículas.

Los respiraderos hidrotermales alimentan los océanos con hierro , y si este hierro sube a la superficie, promueve el crecimiento de fitoplancton . Por tanto, participan en el bombeo biológico de carbono . Sin embargo, apenas el 0,2% del hierro suministrado por fuentes submarinas permanece soluble. Los fumadores, y en particular los fumadores negros, representan verdaderos oasis de vida en el fondo de los océanos. Los organismos se han adaptado, aprovechando el calor y el azufre que emiten estos respiraderos hidrotermales.

Efectos en el fondo del océano

En las capas superiores del fondo oceánico, los basaltos , gabros y peridotitas presentan minerales alterados por lixiviación y disolución por el agua de mar, por lo que las plagioclasas se transforman en arcillas, piroxenos y olivinos por la serpentina . Están hidratados, es decir, tienen radicales hidróxido (OH - ) aportados por el agua.

Además, la circulación del agua de mar en la corteza oceánica tiene el efecto de evacuar el calor del fondo del océano y, por lo tanto, de manera más general, el de la Tierra, como resultado de la desintegración de elementos radiactivos del manto y de la tierra. planetoides y pequeños granos de materia de la nebulosa solar hace 4.600 millones de años.

Elevación de la chimenea

Durante su emisión, el fluido caliente se encuentra con agua de mar fría, provocando sucesivas precipitaciones de minerales en función de su estabilidad en las condiciones fisicoquímicas encontradas. Luego se forma un respiradero hidrotermal en la fuente y se eleva en estructuras concéntricas. Esta formación se desarrolla en varias etapas.

Primero, en la emisión, una matriz de barita porosa ( BaSO 4) y anhidrita ( CaSO 4) se forma a partir de iones sulfato en agua de mar, libres en el fluido hidrotermal. El edificio crece verticalmente, enriqueciéndose desde el exterior con depósitos de metales sulfurosos (hierro, cobre y zinc). Poco a poco, este depósito conduce a la obstrucción de las matrices porosas iniciales y se forma un “borde” físico entre el fluido y el agua circundante.

En segundo lugar, el “cierre” lateral de la fuente provoca un aumento de temperatura en el corazón de la chimenea. Los sulfuros de hierro (pirita, marcasita, pirrotita, calcopirita, isocubanita) y el cobre precipitan en el interior de la chimenea para formar el conducto central. Poco a poco, la estructura crece lateralmente con la sustitución de la anhidrita por sulfuros, que son más estables bajo las nuevas condiciones de temperatura del apilamiento; los minerales se organizan en estructuras concéntricas.

Finalmente, durante la “vida” del fumador, el camino que sigue el fluido hidrotermal puede variar, utilizando multitud de cavidades y canales. Esta multiplicidad puede conducir a la formación de extensiones laterales o "bridas". Las dimensiones de un ahumador varían entre 70 y 100  m de altura para un diámetro en la base de 25 a 100  m .

Las estructuras cambian con el tiempo y los fumadores son efímeros: pueden durar de 10 a 100 años, aunque pueden existir fumadores más jóvenes (entre 1 y 5 años) en zonas muy activas. De hecho, pueden colapsar o el conducto puede bloquearse por la precipitación de minerales. El área activa a lo largo de la columna vertebral puede cambiar y hacer que se formen nuevos fumadores y que desaparezcan los viejos. Por lo tanto, un sitio descubierto por científicos durante una misión puede haber desaparecido antes de que una nueva misión regrese allí.

Ubicación de sistemas hidrotermales

Los sistemas hidrotermales están ubicados a profundidades que varían entre 700 y 4000 metros. Por lo general, se encuentran en áreas de alta actividad tectónica, como a lo largo de la Cordillera del Atlántico Medio , la Cordillera del Pacífico Este o las cuencas de arco posterior del Pacífico Occidental. Los sitios más explorados son los del Océano Pacífico, donde se han realizado numerosas campañas oceanográficas (PHARE 2002, AMISTAD en 1999 por ejemplo) desde el descubrimiento de los respiraderos hidrotermales. De los 60.000  km de cordilleras oceánicas que componen el globo, hasta la fecha solo se han explorado unos pocos cientos de kilómetros. Por tanto, quedan muchos sitios por descubrir.

El sitio hidrotermal Rainbow fue descubierto en 1997 durante la campaña de buceo FLORES realizada conjuntamente por cinco países europeos (Francia, Reino Unido, Bélgica, Portugal, Irlanda). Se ubica a 36 ° 13 ′ 39 ″ N, 33 ° 54 ′ 20 ″ W , al nivel del segmento norte de la Cordillera del Atlántico Medio , en una zona de afloramiento de rocas ultramáficas  ; La investigación solo condujo al descubrimiento de una veta de basalto un kilómetro al este. La temperatura del fluido hidrotermal emitido es de 360  ° C , lo que, debido a la temperatura del agua circundante ( 3,7  ° C ), provoca una intensa precipitación de minerales. El campo cubre un área de 15.000  m 2 (250 × 60  m ).

El sitio hidrotermal de la Ciudad Perdida fue descubierto endiciembre de 2000. Ubicado en el medio del Atlántico, a 30 ° 07 ′ N, 42 ° 07 ′ W , sus características difieren de las de otros respiraderos hidrotermales. Se forma a partir de conductos de ventilación de metano e hidrógeno que no producen cantidades significativas de dióxido de carbono, sulfuro de hidrógeno o metales. Las reacciones químicas como resultado un pH serpentinización alcalina (entre 9 y 11) y baja temperatura de 40  a  91  ° C . Las chimeneas, blancas, están hechas de carbonatos y pueden elevarse hasta 60  m de altura.

El sitio Lucky Strike está ubicado al suroeste de las Azores , en aguas portuguesas de la Cordillera del Atlántico Medio a 37 ° 18 'N, 32 ° 16'W . Fue descubierto en 1993 durante la campaña FAZAR a una profundidad de 1.700  m . Las 21 chimeneas se extienden sobre un área de 150.000  m 2 , alrededor de una caldera que rodea el lago de lava de un antiguo volcán de unos 450  m de altitud por 13 y 7 km de tamaño en su base. La composición del fluido hidrotermal, emitido a una temperatura de 333  ° C , es original por la presencia de una gran cantidad de metano y por la deficiencia de sulfuros; el sitio está controlado por el lago de lava, que es fresco.

El sitio Trans-Atlantic Geotraverse (TAG) está ubicado a 26 ° 08 ′ N, 44 ° 49 ′ W , a una profundidad promedio de aproximadamente 3.645  m en el Océano Atlántico, colocándolo directamente sobre la corteza oceánica, basáltica, envejecida en su Nivel de 100.000 años. El campo hidrotermal está ubicado en una colina de 250  m de ancho.

Fumadores negros

Un fumador negro emite agua sulfurosa (sulfuro metálico) a muy alta temperatura ( 350  ° C ). El fluido no se diluye con agua de mar antes de la emisión. La coloración negra del fluido hidrotermal emitido proviene de su alto contenido en hierro y manganeso.

Fumadores blancos

Los ahumadores blancos (o "difusores") se forman cuando el fluido hidrotermal encuentra agua más fría en su camino hacia la plataforma continental, es decir cuando se diluye con agua de mar antes de su show; los minerales precipitan en este momento. Emiten agua que contiene bario y sulfato de calcio . La temperatura de salida es menor que para los fumadores negros (menos de 280  ° C ), al igual que la velocidad de difusión (entre 0,1 y 0,5  m / s ) que se produce a través de muchos canales pequeños, debido a la ausencia de un conducto central en este tipo. de fumador. El líquido puede ser blanco o translúcido; en la última situación, tiene un 20% de salinidad pero no contiene partículas. El edificio final es rico en zinc; su matriz está compuesta principalmente por zinc y sulfuros de hierro, sin anhidrita y con bajas concentraciones de hierro.

Ecosistema de respiraderos hidrotermales

La vida en los respiraderos hidrotermales es, contra todo pronóstico, exuberante. En un ambiente abisal a menos de 2  ° C , una alta presión hidrostática (entre 100 y 500  bares), se han desarrollado grandes comunidades vivientes, mientras que en ausencia de luz, no es posible la producción fotosintética primaria, base de todo ecosistema. . El descubrimiento del ecosistema asociado a las fuentes hidrotermales cambió el conocimiento de la biología de la época y, en particular, la convicción de que la vida macroscópica era imposible sin luz. A nivel de respiraderos hidrotermales, la producción primaria está asegurada por microorganismos quimiosintéticos . Estos organismos quimiolitotróficos utilizan la energía química de las sales disueltas para realizar la función de fotosíntesis en las plantas. Por lo tanto, forman el primer eslabón de la cadena alimentaria, en el que comen los principales consumidores. También existen asociaciones simbióticas en las que el simbionte aporta energía al anfitrión.

La vida se localiza alrededor de los puntos de emisión de los fluidos hidrotermales que se mezclan con el agua de mar, existe un gradiente de temperatura a medida que uno se aleja del punto de emisión de los fluidos y se pueden encontrar comunidades de animales de polo caliente y comunidades de animales de polo cálido.

Organismos vivos

Los respiraderos hidrotermales albergan una población microscópica y macroscópica altamente especializada. Por tanto, las especies que se observan en estos entornos suelen ser endémicas  ; de más de 440 especies descubiertas antes de 1997, el 91% solo puede vivir o reproducirse alrededor de respiraderos hidrotermales (según los conocimientos disponibles).

Entre los microorganismos, podemos distinguir los extremófilos ( bacterias y arqueas ), que pueden multiplicarse lo más cerca posible de la chimenea a temperaturas muy elevadas y a menudo presiones, y los termófilos , que viven en forma libre en el fluido hidrotermal. Este es el caso de Thermococcales , como los géneros Pyrococcus y Thermococcus , y Archaeoglobales . Algunos también son barófilos , como Pyrococcus abyssi . Más bacterias mesófilas crecen en las rocas circundantes, formando esteras, como Beggiatoa y Thiothrix . La mayoría de estos microorganismos prosperan en ecto y endo simbiosis con la fauna abisal que coloniza alrededor de las chimeneas.